Clusius war Chemiestudent an der Technischen Hochschule Breslau und wurde 1928 promoviert, sein Doktorvater war Rudolf Suhrmann.^[1] Von 1926 bis 1929 war er Assistent bei dem dort lehrenden Arnold Eucken.

Von 1929 bis 1930 war er durch ein Stipendium der Rockefeller-Stiftung an den Universitäten von Oxford und Leiden. 1930 habilitierte er an der Universität Göttingen. Von 1934 bis 1936 war er außerordentlicher Professor für physikalische Chemie an der Universität Würzburg. 1936 bis 1947 war er ordentlicher Professor an der Universität München, anschließend bis 1963 ordentlicher Professor an der Universität Zürich.

Auf der zweiten Tagung der Arbeitsgemeinschaft „Kernforschung“ des Uranprojekts des Reichsforschungsrates 1942 hielt er einen Vortrag über die Anreicherung von Uranisotopen.

Clusius leistete grundlegende Untersuchungen zur Reaktionskinetik, insbesondere von chemischen Kettenreaktionen sowie zu Phasenumwandlungen von Stoffen und deren Eigenschaften bei tiefen Temperaturen. Im Jahre 1938 entwickelte er zusammen mit Gerhard Dickel ein Verfahren zur Separation stabiler Isotope und deren Anreicherung mittels Thermodiffusion (Trennrohr nach Clusius und Dickel). In dieser Zeit arbeitete er auch zur Geschichte der Chemie und Physik.